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Title: Pavement Energy Harvesting System to Convert Vehicles Kinetic Energy into Electricity
Authors: Duarte, Francisco João Anastácio 
Orientador: Ferreira, Adelino
Keywords: Energy Harvesting; Pavimento Rodoviário; Segurança Rodoviária; Interação Veículo-Pavimento; Modelação de Sistemas; Análise Custo Benefício; Road Pavement; Energy Harvesting; Road Safety; Vehicle-Road Interaction; System Modelling; Cost-Benefit Analysis
Issue Date: 9-Mar-2018
Citation: DUARTE, Francisco João Anastácio - Pavement energy harvesting system to convert vehicles kinetic energy into electricity. Coimbra : [s.n.], 2018. Tese de doutoramento. Disponível na WWW: http://hdl.handle.net/10316/79526
Project: SFRH/BD/95018/2013 
Abstract: A crescente mobilização do ser humano para as cidades, as mudanças no estilo de vida e a crescente adoção de novas tecnologias, levaram a um aumento exponencial do consumo de recursos do planeta nos últimos anos, sendo a energia um dos recursos em que o consumo aumentou muito significativamente, com ênfase especial na energia elétrica. Nesta área, urge mudar o paradigma atual em que a produção é feita em grandes centrais, fora das cidades, consumindo recursos não renováveis e induzindo perdas de energia desde a produção até ao local de consumo final. A produção de energia elétrica deverá ser feita a partir de recursos renováveis, de forma descentralizada, próximo dos locais onde esta energia é consumida e, preferencialmente, no momento em que é necessário consumir essa energia. Na área das energias renováveis foi adotado recentemente o conceito de energy harvesting, vulgarmente traduzido para "colheita de energia", sendo novidade quando aplicado a uma escala "micro" em que, a partir de pequenas variações de energia é possível gerar energia elétrica. A superfície do pavimento rodoviário está continuamente exposta às cargas de veículos que se deslocam sobre a mesma, a partir das quais é possível captar energia que, através da utilização de tecnologias específicas, pode ser transformada em energia elétrica. Esta tese começa pela avaliação das soluções existentes na área da "colheita de energia" em pavimentos rodoviários (RPEH), permitindo tirar conclusões acerca da eficiência de cada sistema, do seu princípio de funcionamento, estado de desenvolvimento e do método de instalação no pavimento rodoviário. É de seguida definida uma metodologia para desenvolver um novo sistema de RPEH, na qual é realizada uma análise energética, quantificando a energia entregue pelas rodas do veículo para a superfície do equipamento de RPEH, a energia transmitida pelo sistema mecânico e entregue a um conversor eletromecânico, a energia elétrica gerada e também consumida. Esta metodologia irá permitir compreender e quantificar a eficiência de cada componente e otimizá-lo, permitindo assim alcançar a máxima eficiência de conversão de energia possível para cada sistema proposto e avaliado. Com base nesta metodologia foi desenvolvido um software para simular e estudar a interação veículo-pavimento (VRI), de modo a quantificar as forças induzidas e a energia libertada de um veículo para o pavimento rodoviário para diferentes cenários de movimento do veículo, e ainda a energia absorvida pela superfície do pavimento, ou por equipamentos redutores de velocidade ou equipamentos de RPEH. Esta ferramenta permite também aos seus utilizadores quantificar a eficiência energética deste processo. Este software, denominado RoadVISS, permite estudar a VRI com uma precisão superior às ferramentas existentes, especialmente quando são realizadas análises energéticas e quando o estudo é relativo a equipamentos de redução de velocidade ou de RPEH. Utilizando este software, foi realizado um estudo para otimização de equipamentos redutores de velocidade, sendo proposta uma nova solução para promover uma redução de velocidade mais eficaz, sem qualquer ação dos condutores de veículos. Através das simulações computacionais realizadas concluiu-se que a solução proposta é capaz de extrair 81,0% mais energia dos veículos em relação aos sistemas redutores de velocidade normalmente utilizados, com um impacto 87,0% menor no chassi do veículo, em cenários semelhantes. Foi desenvolvido e testado um protótipo da solução proposta, que nos permitiu validar a maioria dos resultados obtidos a partir das simulações computacionais. Esta solução apresenta um grande potencial para contribuir para a promoção da segurança rodoviária, sendo mais eficaz do que as soluções existentes. De seguida foram desenvolvidas novas soluções para converter a energia mecânica de veículos em energia elétrica, a primeira baseada num sistema eletromecânico, a segunda baseada num sistema hidráulico com atuação mecânica, sem armazenamento de energia mecânica, e a terceira semelhante à segunda, mas utilizando um acumulador de energia mecânica. Os modelos físicos de cada sistema foram definidos e incorporados no software RoadVISS, o que nos permitiu desenvolver uma nova ferramenta direcionada para o desenvolvimento de equipamentos de RPEH. Através das simulações computacionais realizadas foi possível verificar que todos os sistemas propostos são mais eficientes que as várias soluções existentes, previamente estudadas no estado-da-arte. O equipamento eletromecânico foi submetido a uma validação experimental e, em cenários específicos, provou ter uma eficiência de conversão de 60,5%, um valor superior ao atual estado-da-arte, passando assim a ser o sistema mais eficiente validado através de testes experimentais na literatura. Este sistema deve ainda ser otimizado, de modo que se alcance uma validação completa para todos os cenários de teste. Os sistemas hidráulicos propostos e estudados devem também ser submetidos a validações experimentais de forma a comparar os dados experimentais com os resultados obtidos a partir das simulações computacionais. Finalmente, foram desenvolvidos modelos de avaliação para realizar a análise técnica e económica dos equipamentos de RPEH, bem como para realizar análises de custo-benefício para a aplicação deste tipo de solução de geração de energia como fonte energética para diferentes aplicações. Os modelos propostos permitem também a realização de análises de sensibilidade, permitindo assim otimizar o valor de cada parâmetro de modo a definir as condições ótimas para que um sistema de RPEH tenha viabilidade económica. Alguns estudos de caso são apresentados, permitindo tirar conclusões acerca das condições necessárias para que estes sistemas sejam economicamente viáveis.
The increasing movement of human beings from rural areas to the city, known as urbanization, the lifestyle changes and the increase in use of new technologies have led to an exponential increase in the consumption of the planet’s resources in recent years. Demand for energy and in particular electric energy has increased immensely. Change is urgently required to the current paradigm, in which energy is produced in large power plants outside cities, consuming non-renewable resources and inducing energy loss from production to final consumption. Energy production must use renewable resources, be decentralized, be done near to where the energy is consumed and, preferably, when needed. Within renewable energies, the concept of energy harvesting on a micro scale has recently been adopted, where, from small energy variations, it is possible to generate electrical energy. The road surface is continuously exposed to vehicle loads from which it is possible to extract energy, which, using specific technologies, may be transformed into electrical energy. This thesis starts by evaluating the existing solutions in the road pavement energy harvesting (RPEH) field, allowing us to draw conclusions regarding the efficiency of each system, its working principle, its stage of development and method of installation. Then, a new methodology is defined to develop a new RPEH system, in which an energetic analysis is conducted, quantifying the energy delivered from a vehicle's wheels to the surface of the device, the energy transmitted by the mechanical system and delivered to an electromechanical converter, the electrical energy generated and consumed. This methodology will allow us to understand and quantify the efficiency of each component and optimize it, allowing us to achieve a maximum energy conversion efficiency for the proposed and evaluated systems. Based on this methodology, a software tool is developed, to simulate and study vehicle–road interaction (VRI) to quantify the forces induced and energy released from vehicles to the road pavement, in different vehicle motion scenarios, and the energy absorbed by the road surface, speed reducers or a specific RPEH device. The software tool also enables users to quantify the energy efficiency of the process. The developed software tool was called RoadVISS and it allows us to study VRI with greater precision than existing tools, especially when energetic analyses are performed and when speed reduction or RPEH devices are applied on the pavement. Based on this tool, a study on speed reducer equipment optimization was performed, and a new solution to promote more effective speed reduction without any driver action was proposed. Through computational simulations it was concluded that the proposed solution is able to extract 81.0% more energy than standard speed reducers, with 87.0% less impact on the vehicle body for similar scenarios. A prototype was developed and tested, which allowed us to validate most of the computational simulation results. This solution has a great potential to contribute to road safety, as it is more effective than existing solutions. After this, new solutions to convert the vehicle's mechanical energy into electrical energy were developed, one based on an electromechanical system, another based on a hydraulic system with mechanical actuation without mechanical energy storage, and another, similar to the previous one, using mechanical energy storage. All systems were developed using the defined methodology. The physical models of each system were defined and incorporated in the RoadVISS software tool, allowing us to develop a new software tool directed at the development of RPEH devices. Through computational simulations it was proved that all systems are more efficient than all existing solutions studied in the state-of-the-art. The electromechanical device was also subjected to an experimental validation and, for specific scenarios, it proved to have a conversion efficiency of 60.5%, a higher value than current state-of-the-art, making it the most efficient system validated through experimental tests. This system should be optimized so that full validations are achieved for other test scenarios. The hydraulic systems should also be subjected to experimental validations to compare experimental data with the computational simulation results. Finally, evaluation models were developed to perform the technical and economical analysis of RPEH systems, as well as performing a cost benefit analysis for the application of this type of energy generation solution as an energy source for different applications. The models also allow a sensitivity analysis to be performed, meaning each parameter value is optimized to determine the best conditions for achieving economic viability. Some case studies are presented and conclusions are drawn about the required conditions for these systems to be economically viable.
Description: Tese de doutoramento em Sistemas de Transporte, apresentada ao Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/79526
Rights: openAccess
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